Les chercheurs de Rutgers ont découvert de nouvelles propriétés électroniques dans des feuilles bidimensionnelles d'atomes de carbone appelées graphène qui pourraient un jour être le cœur d'appareils électroniques rapides et puissants.
Les nouvelles découvertes, auparavant considéré comme possible par les physiciens mais seulement maintenant vu en laboratoire, montrent que les électrons du graphène peuvent interagir fortement les uns avec les autres. Le comportement est similaire à la supraconductivité observée dans certains métaux et matériaux complexes, marqué par le passage du courant électrique sans résistance et d'autres propriétés inhabituelles mais potentiellement utiles. Dans le graphène, ce comportement se traduit par une nouvelle phase de matière de type liquide constituée de quasi-particules chargées de manière fractionnée, dans lequel la charge est transportée sans dissipation.
Dans un article publié en ligne par la prestigieuse revue scientifique La nature et dont la publication imprimée est prévue dans les semaines à venir, le professeur de physique Eva Andrei et ses collègues de Rutgers notent que la forte interaction entre les électrons, également appelé comportement corrélé, n'avait pas été observé dans le graphène malgré de nombreuses tentatives pour l'amadouer. Cela a conduit certains scientifiques à se demander si un comportement corrélé pourrait même être possible dans le graphène, où les électrons sont des particules sans masse (ultra-relativistes) comme les photons et les neutrinos. Dans la plupart des matériaux, les électrons sont des particules qui ont une masse.
"Notre travail a démontré que les échecs antérieurs à observer un comportement corrélé n'étaient pas dus à la nature physique du graphène, " a déclaré Eva Andrei, professeur de physique à la Rutgers School of Arts and Sciences. "Plutôt, c'était à cause des interférences du matériau qui supportait les échantillons de graphène et du type de sondes électriques utilisées pour l'étudier."
Cette découverte devrait encourager les scientifiques à poursuivre leurs recherches sur le graphène et les matériaux connexes pour de futures applications électroniques, y compris les remplacements des matériaux semi-conducteurs à base de silicium d'aujourd'hui. Les experts de l'industrie s'attendent à ce que la technologie du silicium atteigne les limites de performances fondamentales dans un peu plus d'une décennie.
Les physiciens de Rutgers décrivent en outre comment ils ont observé le comportement collectif des porteurs de charge ultra-relativistes dans le graphène à travers un phénomène connu sous le nom d'effet Hall quantique fractionnaire (FQHE). Le FQHE est vu lorsque les porteurs de charge sont confinés à se déplacer dans un plan bidimensionnel et sont soumis à un champ magnétique perpendiculaire. Lorsque les interactions entre ces porteurs de charge sont suffisamment fortes, elles forment de nouvelles quasi-particules avec une fraction de la charge élémentaire d'un électron. Le FHQE est la signature par excellence d'un comportement fortement corrélé parmi les particules porteuses de charge en deux dimensions.
Le FHQE est connu pour exister dans les semi-conducteurs, systèmes électroniques à deux dimensions, où les électrons sont des particules massives qui obéissent à une dynamique conventionnelle par rapport à la dynamique relativiste des particules sans masse. Cependant, il n'était pas évident jusqu'à présent que des électrons ultra-relativistes dans le graphène seraient capables de présenter des phénomènes collectifs donnant lieu au FHQE. Les physiciens de Rutgers ont été surpris que le FHQE dans le graphène soit encore plus robuste que dans les semi-conducteurs standard.
Les scientifiques fabriquent des patchs de graphène en frottant du graphite - le même matériau que la mine de crayon ordinaire - sur une plaquette de silicium, qui est une fine tranche de cristal de silicium utilisée pour fabriquer des puces informatiques. Ensuite, ils tracent des chemins électriques vers les patchs de graphène en utilisant des techniques de fabrication de circuits intégrés ordinaires. Alors que les scientifiques ont pu étudier de nombreuses propriétés du dispositif électronique au graphène résultant, ils n'étaient pas capables d'induire l'effet Hall quantique fractionnaire recherché.
Andrei et son groupe ont suggéré que des impuretés ou des irrégularités dans la fine couche de dioxyde de silicium sous-jacente au graphène empêchaient les scientifiques d'atteindre les conditions rigoureuses dont ils avaient besoin. Le boursier postdoctoral Xu Du et l'étudiant de premier cycle Anthony Barker ont pu montrer que la gravure de plusieurs couches de dioxyde de silicium sous les plaques de graphène laisse essentiellement une bande de graphène intacte suspendue dans les airs par les électrodes. Cela a permis au groupe de démontrer que les porteurs du graphène en suspension se propagent essentiellement par voie balistique sans se disperser à partir d'impuretés. Une autre étape cruciale consistait à concevoir et à fabriquer une géométrie de sonde qui n'interférait pas avec les mesures, comme Andrei le soupçonnait. Ces étapes se sont avérées décisives pour observer le comportement corrélé du graphène.
Au cours des derniers mois, d'autres groupes de recherche universitaires et d'entreprise ont signalé des techniques de production de graphène rationalisées, qui propulsera d'autres recherches et applications potentielles.
Source :Rutgers University (actualité :web)
